作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2016/6/23 8:21:27
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材料学家加紧研发下一代合金:更硬更韧更延展

 

可探索的空间仍然非常巨大,而我们目前只看到一小部分宇宙。

埃姆斯实验室的高熵合金制作设备。 图片来源:Jason Edwards/Getty

乍一看,这个设备像是在建造的一个微型景观。一圈喷嘴对从四个喷管喷出的金属粉末加热,形成向下的光束,融合碰撞的微粒。然后,混合物凝聚成晶粒,形成一个逐步生长的小型柱状合金。一旦合金柱达到2厘米高时,平台将其移动到一边,设备接着建造另一个。

惊鸿一瞥

实际上,这些金属柱子“诞生”自美国爱荷华州埃姆斯实验室,反映了科学家对合金看法的重大改变。制造合金的标准技术从远古铸剑到现在制造发动机引擎叶片一直在沿用,也就是将有用的金属混合一系列能提升性能的东西,例如在铁中加碳制成钢。

但该设备正在制造高熵合金实验样品,它由四五个,甚至更多的元素以严格的比例混合而成。这种看似简单的配方可以生产出比传统材料更轻、更强的合金,并且更耐腐蚀、耐辐照等。最终,研究人员希望这个方法能够生产从未有过的磁性或电性能合金,并形成新一代技术。

中国北京科技大学新金属国家重点实验室张勇认为“我们几乎已经探索过传统金属的所有方面,而对于高熵合金这方面的研究是全新的”。虽然,高熵合金尚未从实验室推广到市场,不过研究者期望在高温炉衬和超轻型航天材料等方面获得潜在应用。

美国帕特森空军基地实验室材料科学家Daniel Miracle认为,“我们并不仅仅是在谈论一种材料,而是如何混合元素的哲学”。“找到新而激动的东西的机会是很高的。”去年,他和同事估计过从一组26个元素中,抽取3、4、5、6种金属元素混合,可得到大约313560种不同的合金。

但德国波鸿鲁尔大学材料工程师Easo Georg认为,并不是所有的混合都能奏效。科学家仍在研究哪些有效哪些没有。他认为,“可探索的空间仍然非常巨大,而我们目前只看到一小部分宇宙”。

更轻更强

高熵合金概念由中国台湾科学家叶均蔚于1995年提出。叶均蔚认为,传统合金的物理性能已经得到了很好的研究,在原子层面上,纯金属具有规则的晶体结构——由相同的原子一层层堆出。有时,这些层相互之间很容易滑动,表现到金属就是非常软而不能用,这就是纯金仅仅只能用在珠宝上的原因。但在金属中添加不同原子尺寸的元素能降低滑动趋势,从而创造更硬的合金。精确的混合物可以让冶金学家调控合金的腐蚀性或者熔点等性能。

但叶均蔚同样认识到了潜在的复杂性。如果加入太多元素,混合物就会变脆。因此,他发现,与其一种主要材料混合一两个元素,为什么不用四五个甚至更多的元素等比混合?不同的原子有大量的可能性排列,从而出现高熵,如此消除了任何形成规律性能晶体结构的倾向。因为每一种随意的混合元素都是不同尺寸的,不太可能相互滑动,从而创造出非常硬的材料。

当然,这在当时是个奇怪的想法,即使在自己的实验室,叶均蔚也未将之放到很高的优先级上。直到2004年其团队才首次混合了5~10种元素,得到比不锈钢更硬的合金。

高熵合金领域得到了快速发展。2009年,张勇报道了一种含钴、铬、铜、铁、镍、铝的合金,比纯铝硬14倍,韧性达近3倍。2011年,叶均蔚报道了钴、铬、铁、镍、铝、钛合金的抗磨性能是普通抗磨钢的两倍。2014年,George及其团队研究的钴、铬、铁、镁、镍合金在液氮温度下也不会变脆。该材料适用于天然气管道和航天器等低温设备。

另外,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与橡树岭国家实验室合作开发出一种叫作铬锰铁钴镍的高熵合金,经检测它不仅是现有记录的最硬材料之一,而且在低温下强度、延展性反而提高。

研究人员表示,铬锰铁钴镍合金能在低温下表现出非凡的强度、延展性和硬度,关键在于一种“纳米结对”效应,也就是在变形过程中,相邻晶格区的原子排列彼此形成镜像结构。伯克利实验室材料学家罗伯特·里奇说:“这表明它除了具有大部分金属在环境温度下具有的平滑错位机制,还有一种塑性机制。在低温下,材料经受了塑性变形产生了纳米结对,结果就是连续的机械硬化,以此来遏制早期破坏造成的局部变形。”

传统合金制造方法的一个不变特征是,一种元素做主成分,其余为少量添加,其机械性能通常依靠出现第二种相态。“高熵合金从根本上违反了传统方法,它的性质并非来自合金中的每种成分或第二种相态。”里奇说,“高熵这一概念意味着,随着合金成分元素的增加,其位形熵也增加,也就抵消了它们形成化合物,变成单相态材料(如纯金属)的趋势。”

选择太多

大量的可能性是高熵合金的优点,但也是研究人员的最大挑战。Miracle认为,元素周期表上有超过80种金属元素,“合金太多而无法一一测试,也没有足够的时间去测试”。

在为航空器引擎和飞机研究高熵合金时,他在搜寻更轻、更耐腐蚀,并能在高温下保持强度的材料。经过大量测试,Miracle将范围缩小到铌、钽、铬等金属,因为它们的熔点很高。

里奇还指出,铬锰铁钴镍合金及其他高熵合金的机械性质尚未达到最优化,它们可能还有更好的性质。“由于高熵合金是单一相态,我们推测它们用在低温下可能非常理想,比如存储液化天然气、氢气和氧气。”他说。

另外,科学家正试着重复目前已经有很好了解的合金的性能。例如,有些钢材不仅仅是随机的原子混合,而且在快速冷却时形成了小型的化合物结节。尽管这种化合物的稳定性不如随机混合物,但表现出比钢更高的弹性。美国麻省理工学院金属学家Cem Tasan曾将铁、镁、钴、铬混合进高熵合金,得到了极高的硬度和弹性,而它们的性能看起来似乎是完全相反的。Tasan 认为“放弃任何我们知道的知识都是不明智的”。

埃姆斯实验室的迷你摩天楼意味着另一种更系统化的方法。该设备可在1个小时内建造30个合金柱,每个柱子的原材料只有细微差别,如此研究者可以快速测试合金的性能。该实验室材料科学家Matthew Kramer正在主导一项研究:寻找可以抵御高温和腐蚀的高熵合金,以帮助火电厂在高温下更有效运作。

而该实验室理论学家Duane Johnson负责协助该团队。1995年,Johnson发明了一套运算法则,在传统合金制造出来前就能预测其性能。2015年,他扩展了适用高熵合金的算法。Johnson的算法能评定一个元素到何种程度就会被另一个吸引或者排斥,然后利用这个信息预测元素的混合是形成化合物、固溶体或两者都有。如此让Kramer团队确定哪种合金值得一试。然后,实验数据能反馈给Johnson以修正该算法,提高准确性。

目前,高熵合金领域前进的道路上有大量障碍。人们当下的关注点是提高结构性能,但对于导电性或磁性等特殊功能性合金则没有多少关注。

尽管如此,还有大量的可能性需要探索,尤其是科学家开始扩展最初对高熵合金的界定。包括Tasan、叶均蔚在内的诸多科学家,已经开始实验混合大量元素但不是等比的效果。初步结果显示,大多数合金仍然保持了高熵合金的性能。

“我们现在有更丰富的领域要探索了。”George说。(张章)

《中国科学报》 (2016-06-23 第3版 国际)
 
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